一种新型的底部对准光学系统设计

刘金荣，刘卫平

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

压力传感器、石英晶体震荡器、微电子机械加工、薄厚膜混合电路、功率半导体器件、体声波器件、放电二极管等器件的制造都要求基片双面曝光。在双面对准曝光机中，底面对准光学系统是必不可少的重要部分（BSA：Bottom Side A lignment）。

1 先进对准系统

现在采用的比较先进的对准系统实际上是一显微物镜直接成像在CCD靶面上，省去了目镜。显微物镜为共轭距无限远物镜，工作原理如图1所示。物体准确地位于物镜的物方焦面处，经物镜所成的像位于无限远处（即物镜的共轭距为无穷大）。在平行光路中加入辅助物镜，则在其后焦面处（也即CCD靶面处）可以得到物体的倒立放大实像。如图1所示。

这种显微物镜的优点是，在物镜和辅助物镜之间是平行光路，有利于装配调整，且可在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不引起像点位置变动、产生双像叠影等。这种显微物镜的放大率由下式决定：

图1 显微镜原理图

在使用过程中，一般保持辅助物镜不动，而只改变物镜的焦距，以达到变倍的目的。

2 新型的BSA系统

新型BSA系统的原理与图1所示相同，只是物镜不动，改变辅助物镜的焦距，通过遮光板在光路中切换以达到变倍目的。这种对准系统结构简单，体积小，其单支光路示意图如图2所示。

图2 单支光路示意图

系统中有一组物镜，两组辅助物镜。光线经过照明聚光镜射到半透半反镜1，反射进入物镜，通过反射棱镜照到物面，然后再反射回半透半反镜1、半透半反镜2、辅助物镜1和半透半反镜3，成像在CCD靶面，此时遮光板遮挡在辅助物镜2前面。当遮光板挡在辅助物镜1前面时透过半透半反镜1的一部分光线经半透半反镜2反射到反射镜1上，再经反射镜1透过辅助物镜2照到反射镜2上，之后经半透半反镜3反射成像在CCD靶面上。

3 物镜结构及像差分析

物镜结构（内窥）如图3所示。

图3 物镜结构图

焦深公式为：

图4 三色光线球差曲线

由表1可知边缘球差L′m=0.002249，稍微有一点过校正，应用剩余球差公式应有：

L′sn≤6△ =0.2112

而实际计算出 L′sn也就是 L′0.7=0.01272大约为公差的1/16

表1 三色光线各视场球差值

由表2可知垂轴色差应有：LACL≤△=0.0352，实际计算值为0.00133约为公差的1/26

EXPP为相对于像面的出瞳位置，数值已达到1201mm，物镜远心。

EFFL为有效焦距，与理想值误差0.75%，虽然没准确到24mm，但因为不是测量显微镜，允许有一定的误差存在。

总的来说，这个系统的各类像差校正得非常好。

表2 像差数据表

物镜设计结果用调制传递函数（MTF）评价，如下图5所示。可见0.5461mm波长的3个视场MTF曲线都与衍射极限几乎重合，物镜各像差校正的很好。

4 辅助物镜设计

两组辅助物镜都可采用一组胶合组达到设计要求，所用材料完全相同，只是曲率不同。如图6所示。

图7和图8分别为辅助物镜一和辅助物镜二同物镜连通后的MTF曲线，都与衍射极限几乎重合，这表明这两路对准显微镜像差都校正的很好。

图5 物镜调制传递函数曲线

图6 辅助物镜

图7 辅助物镜一调制传递函数曲线

图8 辅助物镜二调制传递函数曲线

5 整个底部对准光学系统的 x、y、z三向控制

z向调焦可通过内部光路实现，见图2，只要使物镜整体前后移动即可实现调焦，x、y两个方向的运动通过一个两维台整体移动整支光路，导轨移动产生的误差对光路不会有影响。

6 结 论

通过软件仿真，这种新型的底部对准光学系统的图像质量性能会有很大提高，x、y工作台机构运动时，图像的稳定性也很好，总体质量优良。

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[1]袁旭沧.光学设计[M].北京：北京理工大学出版社，1988.

[2]张以谟.应用光学[M].北京:机械工业出版社.1984.

[3]钟锡华.现代光学基础[M].北京：北京大学出版社.2003.